适用于发动机振动监测的微型宽频压电能量收集器研究

作     者：周洁琳 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余华

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：发动机 加速度传感节点 振动能 能量收集器 宽频 

摘      要：基于发动机振动信号分析的发动机状态监测与故障诊断方法是提高发动机应用的可靠性和减少修理维护工作的盲目性的重要手段。为了尽可能完整、准确的提取发动机的振动信号作为发动机状态监测与故障诊断的依据,常需要在发动机整机的不同位置放置多个无线加速度传感节点来获取振动信息。然而,为无线加速度传感节点寻找“无电池的自供电方式是不可避免的需要解决的关键问题。本论文针对发动机多振源、宽频带、振动类型复杂多样的振动特性,重点研究微型振动能量收集器的频带拓展技术,为加速度传感节点提出自供能解决方案。论文首先分析了振动能量收集技术实际应用于发动机状态检测与故障诊断系统的必要性和可能性,详细总结了现有压电振动能量收集器的频带拓展技术以及优缺点和适用环境。其次,论文以汽车发动机为振动监测对象,现场实测了雪佛兰景程2HO型汽车发动机在正常状态空载工况下缸盖表面的振动信号,分析了发动机的振动激励源以及振动信号的特性。并在此基础上,考虑输出功率和共振区的带宽两方面因素,提出了适用于被测汽车发动机振动环境的微型宽频压电振动能量收集结构,推导了其分布参数模型,分析了其动态响应特性,为微型宽频压电振动能量收集器的研制提供了理论依据。论文采用ANSYS有限元分析软件对所设计的微型宽频压电振动能量收集器进行了性能仿真,分析了结构尺寸参数对于微型宽频压电振动能量收集器的固有频率及开路电压的影响,确定了微型宽频压电振动能量收集器的最优化参数。并与同条件下微型线性压电振动能量收集器的性能进行了对比,验证了课题所设计的微型宽频压电振动能量收集器的宽频响应特性和电能输出能力。最后,论文制备了微型宽频压电振动能量收集器样机,完成了样机的性能测试与分析。测试结果表明,在0.7g加速度的激励下,所设计的微型宽频压电振动能量收集器在40～140Hz的频率范围内均具有电压输出。其中,压电双晶片悬臂梁梁1在第一、二阶共振模态下分别有274.87μW和96.14μW的输出功率;压电双晶片悬臂梁梁2在第一、二阶共振模态下分别有157.02μW和89.23μW的输出功率。微型宽频压电振动能量收集器的样机测试结果以及与微型线性压电振动能量收集器样机的性能对比均说明微型宽频压电振动能量收集器在保证功率输出的基础上拓宽了频带响应范围,可应用于被测汽车发动机振动环境为发动机状态监测与故障诊断系统的加速度传感节点供电。